바이오 기술을 응용한 콘크리트 균열자기치유 기술

방 신 영_ (주) 세릭 연구개발센터 선임연구원

김 정 미_ (주) 세릭 연구개발센터 연구원

1. 서 론

콘크리트는 세계 건축/토목현장에서 가장 널리 사용되고 있는 건자재로서 인류가 개발한 최고의 발명품 중하나이다. 콘크리트의 성능을 좌우하는 포틀랜트 시멘트는 19세기 발명된 이후 수요가 지속적으로 증가하여, 전 세계적으로 매년 1인당 2.5톤의 콘크리트를 제조하기 위하여 사용되고 있으며, 시장이 2017년엔 약 250억 달러에 달할 것으로 추산되고 있다. 국내의 경우 시멘트를 대체하고 성능을 개선할 수 있는 혼화제 및 첨가제 시장은 건설 경기가 회복된 2007-2012년 보다 더 증가 할 것으로 예상되고 있다.
콘크리트는 시멘트를 접착제(Binder)로 하여 골재와 다져진 재료로서, 타 건자재에 비하여 수명이 길고, 내구력이 강하며 하중에 대한 강도가 매우 높아 최고의 건축자재로 사용되고 있다. 그러나 물과 반응하여 수화 반응하는 시멘트 특성상 사용된 재료, 배합 설계 결함, 건설 관행에 의한 시공 한계 등에 의해 쉽게 균열이 발생하기도 한다. 발생한 균열부위를 통해 콘크리트 내부로 물이 침입 될 수 있어 동결융해, 염해, 중성화 등 각종 복합열화를 촉진시킬 수 있다. 특히 철근 콘크리트 구조물일 경우 인장 내구성을 담당하는 철근을 부식시키고, 이로 인한 콘크리트의 박락 및 탈락이 발생할 수 있으며, 구조물의 내구수명에 치명적 손상을 야기시킬 수 있다. 그렇기에 콘크리트의 균열을 억제, 방지, 보수, 관리할 수 있는 기술은 세계 대부분의 콘크리트 연구자들의 공통 개발 사항이다.
2013년 다보스포럼 미래유망기술 10대 리스트에 자기치유 기술(Self-healing Technology)이 선정되었다. 자기치유 기술은 재료 융합형 기술로써 세라믹, 금속, 폴리머, 심지어 박테리아를 이용한 바이오산업에까지 적용 가능한 신기술이다. 이 기술을 산업 재료에 적용하면 손상 부위에 대한 본질적 치유효과를 통해 부품의 수명을 길게 하고, 장기간 사용에 의한 파손을 억제하며, 노후화에 의한 효율감소를 막을 수 있어 생산 및 유지관리에 필요한 비용을 낮출 수 있어 경제성을 확보 할 수 있다.
자기치유라 함은 자연이 손상된 후 자기치유 되는 현상에서 유래된 것으로써, 인위적으로 손상된 부위에 대하여 물리적인 방법을 통하지 않고 본체 내에 함유한 물질에 의하여 원형상대로 복구되는 과정으로 정의할 수 있다. 이 같은 기능을 콘크리트에 적용하면 자기치유 콘크리트(Self-Healing Concrete)라 하는데, 시멘트 경화체 및 콘크리트 경화체가 수화반응 중 온도변화, 수축에 의한 체적변화, 외부 힘의 작용, 시공 불량 등에 의해 균열이 발생하였을 때, 발생된 균열이 외부의 추가적인 외력 및 보수 없이 그 균열을 폐쇄시키는 현상을 발현하는 콘크리트를 말한다. 국내외 적으로 연구된 결과를 분류하면, 크게 캡슐 적용(Incapsulation Technology), 미생물의 방해석 석출 작용(Self-healing mechanism by Micro-Biologically In-duced Calcite Precipitation), 자기치유 시멘트 재료(Self-healing cementitious materials)으로 나눌 수 있다. 이 외적으로 다양한 기법이 추가적으로 연구되고 있으나 본 기고에서는 미생물 법을 이용한 자기치유 콘크리트에 대하여 논하고자 한다.

2. 생체광물형성작용 (Biomineralization)

박테리아를 이용한 자기치유 기술은 생물이 체내/외에서 광물을 만들어 내는 작용 인 생체광물형성작용(Biomineralization)을 이용한 것으로, 이때 발생한 생체 미네랄로 콘크리트 균열을 채우는 기술이다.
생체광물형성작용이란 널리 알려져 있는 현상으로, 생체 분류학적으로 유기체에서 형성될 수 있는 광물은 총 6계, 60종이며, 그 광물의 예로 규산염(silicate), 탄산염(carbonate), 칼슘 인산염(calcium phosphate)을 들 수 있다. 이 미네랄들은 어패류와 동물뼈 등 구조적인 특징을 나타내는데, 가장 일반적으로 뼈와 패각, 이빨, 진주 등의 구조를 유지시켜 주는 콜라겐이나 키틴처럼 유기 결합제로 상용되고 있다. 콘크리트 내부는 매우 강한 알칼리성이며, 매우 건조한 환경이라 박테리아 생존이 매우 어렵다. 그러나 지표보다 약 1km이상의 깊은 암석 또는 사막에서도 생존이 가능한 박테리아를 발견되었으며, 이보다도 혹독한 환경에서도 200년간 생존이 가능한 박테리아가 발견되기도 하였다.
박테리아에 의한 석회암 석출 메커니즘은 기본적으로 효소(Urease)에 의한 요소(urea: CO(NH2)2)의 신진 대사(metabolic activities)에 의한 가수분해이다. 알칼리 환경에서 박테리아가 요소와 물이 반응하여, 유기 탄소원(효모 추출물과 펩톤)에 의해 변화하면, 콘크리트 중에 존재하는 칼슘 이온과 반응하여 탄산 이온이 생성되어 이산화탄소(CO2) 및 암모니아(NH3)를 발생시킨다. NH3/NH4+ 시스템의 pH 값이 큰 (대략 9.2) 때문에 반응 결과 pH 값은 커져서, 탄산염의 평형 이동(CO2 ⇔ HCO3+CO32-)반응이 끈임 없이 발생한다. 따라서 칼슘이온과 물이 충분히 존재한다면 석회암이 지속적으로 석출된다. 이러한 박테리아 시스템에 의해 콘크리트 내에서 실제로 자기치유기능이 발현된다.

그러나 박테리아의 신진대사를 활성화 하기 위해서는 콘크리트 매트릭스 내에 유기영양분이 일부 존재하여야 한다. 따라서 자발적인 자기 치유를 위해서 함침 된 박테리아와 적합한 영양분에 대한 데이터 베이스 구축이 필요하고, 이를 콘크리트 반죽질기에 고르게 분포시켜야 하는 기술적 문제가 남는다. 콘크리트와 다양한 유기 화합물과의 적합성을 조사하기 위한 실험은 오랜 시간을 걸쳐 실시되어야 한다. 또한 폐쇄된(외부와 단절된 내부) 콘크리트 내에서의 박테리아의 장기간 생존 및 효소의 지속적인 활동이 가능한가에 대해서는 아직 연구의 여지가 높다.
뿐만 아니라 박테리아를 사용하는 체계에서 암모니아의 과대 발생은 환경적인 측면에서 문제점 될 수 있으며, 박테리아의 돌연변이 발생 등 추가적인 고려할 사항이 있다. 따라서 박테리아에 의한 자기치유 콘크리트개발 시 환경 친화적인 바이오미네랄 전구체(biomineral compound precursor)를 첨가할 필요가 있다.

3. 박테리아 활용한 콘크리트 기술

박테리아의 생화학 반응을 이용하여, 자기치유 및 복구 기능을 부여한 콘크리트 제조에 관한 연구가 토목/건축 선진국인 네덜란드, 영국, 미국, 일본 등에서 활발히 이루어지고 있다.
그 대표적인 예가 네덜란드 델프트 공대의 Brugel 교수 연구진과 영국의 바스 대학 연구진 등이 있으며, 국내에서는 경북대 김화중 교수 연구진이 관련된 연구를 진행 하고 있다.
델프트 공대연구진은 생체광물형성작용의 하나로써 MICP(Micro- Biologically Induced Calcite Precipitation)를 적용하여 바이오 콘크리트를 개발하였다. 바이오 콘크리트는 여러 생체미네랄 중 탄산칼슘을 배설하는 박테리아인 Sporosarcina pasteurii를 사용하였다. Sporosarcina pasteurii는 토양에 주로 서식하는 박테리아로서 포자를 형성하는 특성을 지녔으며, 요소(urea: CO(NH2)2인 유기화합물)을 분해하는 효소인 urease를 이용하여 가수분해 시켜 탄산칼슘 석출을 유도하는 방식을 적용하였다. 추가적으로 델프트 연구진들은 콘크리트 내부에서 박테리아가 장기간 생존할 수 있도록 함으로써, 콘크리트에 함침하여 사용이 가능하도록 개발 중에 있다. 이 연구진은 콘크리트에 발생된 균열을 침투로로 하여 물이 공급될 때 혼입된 박테리아가 위치한 주변으로 석회암이 발생하며, 이를 통해 균열 틈을 채울 수 있는 바이오-콘크리트 완성을 위해 주력하고 있다.
일본에서는 콘크리트 또는 대리석 표면 수리 및 내구성 향상을 위한 박테리아 혼합 실험이 진행되고 있다. 그러나 이 연구의 경우 콘크리트 모체에 대한 전체적인 작용현상이 아닌, 일부 보수제에 적용하여 균열의 보수 및 균열 치유에 대한 것을 연구하고 있어, 전반적인 콘크리트에 대한 자기치유 메커니즘으로 볼 수 없다.
한국 서울대 연구진은 박테리아의 생체광물형성능력을 콘크리트의 미세균열 자가치유에 적용하기 위한 기초연구로서, 콘크리트와 같은 높은 pH에서 생존이 가능하고 물리적 압력과 수화열 등에 내구성을 가지는 포자(spore)를 형성 박테리아를 찾는 연구를 진행하였다. 국내 환경에 적용할 수 있으며, 고 알칼리 환경(pH10)에 대한 활동성을 갖는 박테리아 포집을 위해 시화호 간척지에서 22종을 체취 했다.
최종적으로 6종에서 가능성을 확인하였고, pH 11 이상의 환경에서 일부 생존하는 박테리아를 칼슘유기산등으로 배양하여 탄산칼슘의 결정 형상의 변화에 대한 연구를 진행하였다. 연구진의 결과에 따르면, 미생물의 존재 여부에 따라 탄산칼슘 결정 형상이 결정에서 다결정으로 변화됨을 확인하여 유도과정을 정리하였다. 또한 국내 KS 모르타르 규격에 적용하여 압축강도를 측정함으로써 국내 채취 가능한 박테리아의 사용 가능성을 타진하였다.
한국 경북대 연구진은 박테리아간의 상호 유사도 및 동정 방법을 제시하고 석출작용에 따른 결정성 변화 및 강도 측정 등을 진행하였다. 또한 추가적으로 미생물학적으로 유도된 방해석 석출(MICP) 메커니즘에 대한 해석을 추가 하여, 탄산칼슘 이외의 석출물인 Urea-CaCl2를 적용한 자기치유 모르타르를 시험 시도하였다.
경북대 연구진 결과의 큰 의미는 실제 콘크리트 구조물에 상생하고, 자연환경에서 방해석을 석출하는 미생물을 이용 할 가능성을 확인하고, 긴 시간 동안 자연환경에서 살아남은 환경적으로 안전한 재료를 선택함으로써 새로운 환경 저부하성 기능재료로서 제시하였다.

자세한 내용은 세라믹 코리아 7월호에서 확인하실 수 있습니다.